费托合成技术的发展前景

王晓亮

(阳煤化工集团公司，山西 太原 030006)

石油、煤炭、天然气作为国家重要能源，如何合理地运用上述三大不可再生资源，提高能源的利用效率，不论是在确保能源安全方面，还是环境保护方面均具有重要的意义。特别是在当前石油供不应求的情况下，费托合成技术受到很多国家的高度重视，应用费托合成技术，能够成功地将天然气和煤炭液化，生成汽油、液化气、柴油等，从而提高了资源的利用率。

1 费托合成技术概述

1.1 费托合成反应含义

费托合成反应主要指的是在高温、高压以及加碱的铁屑作为催化剂的条件下，CO和H2进行化学反应，最终获得直链烃类产物的过程[1]。该化学反应过程非常复杂，生产的产物种类繁多，因此，费托合成反应是一个复杂的反应体系。在该化学反应过程中，需要抑制CH4等副产物的生成，有目的性地合成目标烃类，如，液体燃料中的烯烃或者重质烃等，因此，选择活性高、稳定性好、选择性高的催化剂很有必要。

1.2 费托合成技术反应机理

费托合成反应技术的反应机理可以简单概括为，利用CO和H2作为原料，在催化剂的作用下发生化学反应，最终得到H2O、CO2及烃类产物。因此，合成反应主要包含两大步骤，第一步是将合成气转化成液态烃，第二步为加氢裂化或者异构化获得最终产物。需要强调的是，在第一步中，温度不同获得的产物也不同，如，在高温下反应，产物主要为烯烃和轻质合成油，在低温下反应，产物为石蜡和重质合成油。

2 费托合成技术工艺路线

2.1 费托合成技术总工艺路线

费托合成技术所需的原料主要为煤气化工艺的净合成气和费托合成技术尾气被处理后得到的H2。上述原料在浆态床费托合成反应器内被转化成轻质油、重质油、重质蜡，并产生大量的水和尾气。轻质油、重质油、重质蜡被送至下游的产品加工装置，而产生的尾气则在费托合成工艺中被处理生成低碳烃和H2，产生的水则经费托合成工艺的合成水处理单元将醇类物质脱除后，再进行废水处理。

2.2 前、后脱CH4工艺路线分析

煤气化单元的装置如果选择BGL炉或者KBR炉，那么气化单元形成的合成气中就会有部分CH4，如果要想获得大量的H2和CO，必须利用CH4转化工艺将合成气中的CH4转化成合成气，如此便涉及到脱除CH4是在费托合成工艺前还是费托合成工艺后的问题，即前脱CH4和后脱CH4工艺路线。针对前者，工艺装置主要有净化合成气深冷分离单元、CH4转化单元、费托合成单元、苯菲尔脱碳单元、低温油洗单元、PSA制氢及合成水处理单元；而后者涉及的工艺装置主要包含净化合成器费托合成单元、苯菲尔脱碳单元、低温油洗单元、CH4转化单元、变换单元、低温甲醇洗单元、PSA制氢单元、合成水处理单元[2]。

3 费托合成技术国内外工艺对照

3.1 国外费托合成技术

现阶段，国外实现工业化的技术包括南非SASOL的F-T合成技术、荷兰Shell研发的SMDS技术以及美国通讯公司所研发的MTG甲醇生产汽油合成技术。另外，国外近年来还出现了很多更加先进但目前还没有实现商业化的合成技术，例如，丹麦Topsoe公司研发的Tigas技术以及美国通讯公司的STG技术。现阶段，南非的SASOL公司已经成为全球最大的间接液化技术开发商以及合成油生产企业，其研发重点方向为高温铁系催化剂固定流化床费托合成技术以及低温钴系催化剂浆态床费托合成技术。

同时，壳牌石油公司也经历了几十年的研发时间，始终致力于煤或天然气基合成制取发动机燃料技术的研发，特别是对一氧化碳与氢气反应的Schulz-Flory聚合动力学的规律展开了更加全面和深入的研究。并于1985年壳牌石油公司正式宣布成功研发出F-T合成两段法新技术SMDS，其利用中试设备实现长期运转。

3.2 国内费托合成技术工艺研究

中国科学院山西煤炭化学研究所在2002年已经顺利建成合成油品1 000 t/a设备，随后反复开展了多次实验，同时在2004年已经达到了1 200 h无故障运行，获得了具备自主知识产权的阶段性成果。上海兖矿能源公司从2002年开始进行煤炭间接液化技术的研发，现阶段顺利建成全国中试规模最大的5 000 t/a的中试设备，这也是我国唯一的大规模中试设备。内蒙古伊泰集团所开发的煤制油项目早在2004年就已经获得了中国科学院技术鉴定，另外，浆态床反应器、F-T催化剂以及油品精制系统都属于我国自主研发，先后得到40多项国家专利，包含了煤间接液化的全部重要性技术。山西潞安煤基合成油示范厂属于我国863高新技术项目，同时也是中国科学院知识创新工程项目的延续，属于我国唯一获得国家级项目招标认证的煤基合成油示范基地。2008年，潞安16×104t合成油厂正式进行工业侧线投料并处于相对稳定的运行状态。神华煤液化一期工程18万t/a合成油品示范设备，属于神华集团在直接液化技术后继续研发的第二项煤制油技术，该项目主要是中国科学院山西煤炭化学研究所合成油品工程研究中心给予的自主研发煤基合成油品技术为依据，现阶段成功通过中科院的专家鉴定以及科技部863项目验收，同时在2009年到2010年实施了2次试验，实现了从合成气制成柴油的煤间接液化过程。中石化成功建设了3 000 t/a费托合成工业试验设备，目前已顺利运行5 000余h，已经基本达到国际先进水平，完成了70 t/a费托合成工艺包。2009年中石化收购了美国Syntroleum公司的浆态床费托合成技术及工业化试验装置，主要用于对大型液态床费托合成反应器的开发工作。

3.3 国内外费托合成技术工艺对比

借助于费托合成工艺对比我们能够了解到，现阶段，费托合成技术的发展趋势主要是高温铁系催化剂固定流化床工艺、低温钴系催化剂固定床工艺以及低温铁系、钴系催化剂浆态床工艺。而高温工艺一般来说用于生产更高附加值的烯烃与化学品，低温工艺主要是用于生产高品质的柴油与蜡。低温铁系催化剂主要利用浆态床反应器，钴系催化剂包含了浆态床以及固定床两类工艺，浆态床需要更高强度的催化剂，而固定床的反应器结构相对复杂，后期维护工作难度较大。现阶段，低温铁系催化剂浆态床工艺研发集中于我国，较适用于以煤为气头的费托合成过程，而低温钴系催化剂技术更加适合以天然气为气头的费托合成过程[3]。

4 费托合成技术的发展前景

众所周知，我国是一个石油资源比较匮乏的国家，2016年，即便我国原油产量达到1.98亿t，也不能满足经济发展的需求，据相关资料显示，2016年，我国全年进口原油达到38 101万t，预计到2020年，我国石油供需缺口将达到4亿t，这非常不利于我国能源的安全，在这种形式下，发展我国合成油工业势在必行。第一，通过对比直接法和间接法，间接法工艺的风险更低。当前，我国合成油的发展路径主要有两种，其中一种便是煤直接液化技术。通过分析神华集团拟建的500万t/a合成油装置方案，总耗煤量为1 500万t，换言之，即3 t的煤炭可以生成1 t的油，第二种便是由中国科学院山西煤炭化学研究所拟建的煤间接液化技术，该项技术生产1 t油所需的煤炭为5 t。虽然直接法的效益更高，但是生产条件苛刻，并且对设备材质要求较高，不适用于大规模商业化生产。二者相比较，间接法风险更小，因此，在未来间接法应用更加广泛。第二，煤炭和天然气结合起来获得合成气有助于降低成本。煤炭和天然气均可以作为费托合成的原料，但是结合当前我国的基本国情，选择煤炭经济性更高些，就合成油的原料分析，天然气和煤均可行，但是天然气的成本投资低些，因此，站在理论角度分析，将天然气和煤结合起来获得的合成气，H2和CO的比值更加合理，在特定条件下有助于降低成本。第三，开发联产化工产品的合成油技术。纵观国内外费托合成技术，其目的均为生产合成油。站在替代石化原料的角度考虑，今后应该多开发多产烯烃，特别是α-烯烃的费托合成工艺。SASOL公司曾在18万/d装置中，采用浆床反应技术的低于1万桶/d，剩余的均运用先进流化床，生成的产物为汽油和烯烃，烯烃主要被应用化工产品生产中。通过分析研发情况，无论是对高正构烷烃还是烯烃均具有较高的选择性。即便借助浆床反应器依然可以生成烯烃，其中，最主要的是催化剂的选择。但我国来看，迄今为止，α-烯烃的生产依然是空白，但是，聚乙烯共聚体的年需求量超过数十万吨[4]。

5 结语

综上所述，在我国石油资源日益短缺的背景下，结合我国资源现状，选择资源丰富的煤炭作为原料，积极研发先进的煤液技术合成柴油、气候等石油产品和化工产品，从而提高煤炭的利用率，减少资源的浪费，减少排放至环境中CO2的含量，以费托合成技术为依托的煤间接液化技术将会是解决我国能源结构问题的一个重要途径。本文通过对费托合成技术工艺、装置等进行分析发现，费托合成产品在未来具有很大的市场价值，还有待在相关领域的研究中做进一步研究，推动费托合成技术的成熟和推广。